Проектирование валочных устройств лесосечных машин

Задание:

1. Провести сравнительный анализ различных схем валочных устройств и выбрать предпочтительную схему для заданной схемы захватного устройства.

2. Исследовать возмущающий момент дерева относительно кромки среза и обосновать величину расчетного валочного момента.

3. Разработать компоновочно-кинематическую схему валочного устройства, привязав ее к схеме захватно-срезающего устройства.

4. Обосновать рабочий ход штока гидроцилиндра и определить требуемое усилие на штоке гидроцилиндра.

Исходные данные:

1. Диаметр дерева на высоте груди и порода.

2. График зависимости коэффициента момента аэродинамических сил от диаметра дерева для двух значений допустимых скоростей ветра (рис. 1.8).

3. Давление жидкости в гидросистеме Р = 15 МПа.

4. Схема захватно-срезающего устройства – захват дерева выше пня или захват дерева за пень (рис. 1.9).

Рис. 1.8. График зависимости См(D)

Выполнение задания.

1. Возможны четыре принципиальные схемы создания валочного момента: применение клина, упор в пень, упор в дерево, натяг манипулятором.

Первый способ прост, но сложно компонуется в единый рабочий орган вместе со срезающим устройством. Последний способ не требует создания автономных устройств, но вызывает дополнительные нагрузки на машину. Остается единственное решение – упор посредством домкрата. Если захват осуществляется за ствол, то упор делается в пень, а если захват за пень, то упор делается в ствол.

В дальнейшем проработаем проектирование валочного устройства для схемы захвата за пень (рис. 1.9, б ).

а – захват за ствол; б – захват за пень. Рис. 1.9. Схемы захвата дерева валочным устройством

2. Изобразим расчетную схему нагружения срезаемого дерева при условии, что все моменты действуют в сторону против падения дерева (рис. 1.10). Момент, препятствующий валке дерева в сторону перемычки, недопила О (относительно перемычки недопила) слагается из трех составляющих:

где первая составляющая обусловлена наклоном растущего дерева относительно линии отвеса, вторая составляющая – аэродинамический момент от ветровой нагрузки;

– коэффициент момента (рис. 1.8);

– плотность воздуха, кг/м³;

– площадь кроны дерева.

Масса дерева и положение его центра тяжести определяются с помощью графиков, приведенных на рис. 1.4, 1.5.

Пусть D = 44 см, ель. Тогда будем иметь: объём ствола V = 1,8 м³; высота Н = 28 м; коэффициент, учитывающий массы кроны, К = 1,06; масса дерева кг, сила тяжести Н, диаметр дерева на срезе см.

Рис. 1.10. Расчетная схема нагружения срезаемого дерева

Площадь кроны для ели по Виногорову м². Зададимся отклонением дерева от вертикали , предельной скоростью ветра м/с.

При принятых условиях возмущающий момент равен

Н×м.

Основным возмущающим моментом, препятствующим валке дерева, является момент от ветровой нагрузки. Поскольку вероятность того, что все три составляющие будут направлены в одну сторону мала, а величина аэродинамического момента определена весьма приближенно, то допустимо при проектировании валочных устройств принять в качестве расчетного момента момент от ветровой нагрузки.

Итак, имеем:

кН×м.

3. Компоновочную схему валочного устройства в соответствии с заданием привязываем к схеме захватного устройства "за пень".

Изображаем в масштабе срезаемое дерево и захват за пень (рис. 1.11). Намечаем для домкрата конструктивное пространство, на данной стадии проектирования существенна высота упора и угол .

Рис. 1.11. Схема захвата срезаемого дерева "за пень"

Принцип компоновки состоит в том, чтобы при данном усилии получить наибольший валочный момент. Очевидно, что этот положительный эффект достигается при угле = 90⁰. Однако при такой компоновке возникают следующие проблемы:

1) Если гидроцилиндр домкрата имеет только упор снизу (рис. 1.11), то устройство будет работать только при надежном внедрении штока в пень. В зимний период такое внедрение штока в ствол дерева невозможно – будет иметь место проскальзывание. Напрашивается решение этой проблемы путем постановки упора цилиндра сверху.

2) Если сделать упор сверху, то дерево будет закусываться домкратом и поворачиваться относительно точки О не будет. Это будет физически обус-ловлено наличием силы сопротивления, приложенной в точке контакта штока с деревом и направленной вниз. Равнодействующая этой силы с силой может проходить через точку, и момента создаваться не будет.

Возникает проблемная ситуация – как избежать перечисленных отрицательных явлений? Может быть несколько технических решений, одним из которых можно сделать роликовый упор штока в дерево. Закусывания в этом случае не будет, но неизбежна потеря за счет того, что момент будет создавать только нормальная составляющая силы Р_П.

Таким образом, из компоновочной схемы устанавливаем расчетный случай для определения усилия на штоке гидроцилиндра

4. Для определения величин Р_П и h_уп требуется обоснование хода штока домкрата. Контакт штока с деревом необходим до тех пор, пока дерево не наклонится на такой угол , при котором момент сил тяжести станет равным возмущающему моменту от встречного ветра.

Определим этот угол из условия

.

Отсюда имеем:

рад .

При повороте дерева относительно точки О контактная точка будет смещаться вдоль хода штока (при фиксированной оси гидроцилиндра). Поэтому для определения хода штока достаточно повернуть ствол дерева относительно точки О на угол и замерить в соответствующем масштабе расстояние вдоль оси гидроцилиндра до образующей дерева.

Поскольку угол поворота дерева домкратом мал, то при расчетах допустимо принять

const.

Тогда будем иметь следующее условие для определения силы на штоке гидроцилиндра

.

Отсюда имеем

Возникает проблема оптимизации проектных параметров , из условия минимума . При роликовом упоре необходимо стремиться делать упор в дерево под углом . Заметим, что угол , вообще говоря, при наклоне дерева меняется. Но это изменение, как уже отмечалось, мало, и допустимо принять = const. Также очевидно, что для достижения наименьшего усилия на штоке необходимо цилиндр размещать, возможно, выше. В принципе, не обязательно гидроцилиндр размещать внутри корпуса. Его можно разместить и снаружи, как это показано на рис. 1.11. При такой компоновке не требуется иметь ролика на конце упора, а достаточно сделать упор тупым. За счет увеличения плеча и угла получаем максимальный валочный эффект.